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        一種基于DCT的圖像水印算法

        2008-04-12 00:00:00蔣天發(fā)
        現(xiàn)代電子技術(shù) 2008年3期

        摘 要:數(shù)字水印技術(shù)是一種在開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中用以保護(hù)版權(quán)和認(rèn)證來源及完整性的新技術(shù)。針對如何解決水印不可見性和魯棒性矛盾這一問題提出了一種新的水印方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,算法具有良好的不可見性,對常見的圖像處理操作,如JPEG 壓縮、低通濾波、噪聲攻擊等具有較強(qiáng)的魯棒性。

        關(guān)鍵詞:數(shù)字水??;離散余弦變換;不可見性;魯棒性

        中圖分類號:TP309 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

        文章編號:1004373X(2008)0309403

        A Image WatermarkingAlgorithm Based on DCT

        PENG Chuan,JIANG Tianfa

        (Sonth Central University for Nationalities,Wuhan,430073,China)

        Abstract:With the popularization of Internet and the development of multimedia techniques,digital multimedia has become the main means of information communication.Digital watermark is a new technology which can protect copyright and authentication source.This paper proposes a new image watermarking scheme in order to solve the contradiction between imperceptibility and robustness.Experiment results indicate that this method is very robust against the common signal processing attacks such as JPEG compression,filtering,noise contamination,cropping.

        Keywords:digital watermark;discrete cosine transform;imperceptibility;robustness

        1 引 言

        隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)字媒體如圖像、音頻、視頻等的分發(fā)和處理變得越來越容易。因而數(shù)字作品的創(chuàng)作者和發(fā)布者也更加關(guān)心數(shù)字媒體的版權(quán)保護(hù)問題。數(shù)字水印是將某種形式的版權(quán)信息嵌入數(shù)字作品中的一種版權(quán)保護(hù)技術(shù)。數(shù)字水印的基本特點(diǎn)和要求是水印的不可見性和抵抗攻擊的魯棒性?;贒CT域的水印算法由于其簡單、實(shí)用及優(yōu)秀的性能一直是數(shù)字水印技術(shù)的研究熱點(diǎn)[1]。

        針對如何解決水印魯棒性和不可見性矛盾的問題,下面提出一種新的基于DCT變換域的數(shù)字水印嵌入和檢測算法。算法選擇灰度圖像作為水印信息,將其嵌入到載體圖像DCT變換的低中頻系數(shù)中,通過調(diào)節(jié)水印嵌入強(qiáng)度,使得算法獲得了較好的不可見性和魯棒性;在水印嵌入和提取過程中都需要密鑰控制,使得算法具有較好的安全性。

        2 水印算法

        這里給出算法的幾個關(guān)鍵的問題是:DCT系數(shù)的選取、水印信號的預(yù)處理,水印嵌入和提取。

        2.1 DCT系數(shù)的選取

        為了能更準(zhǔn)確地恢復(fù)水印信息,通常期望嵌入的水印強(qiáng)度在不可感知的前提下達(dá)到最大。但事實(shí)上,不可感知性、魯棒性、隱藏數(shù)據(jù)的能力是數(shù)據(jù)隱藏應(yīng)用中基本的但又相互抑制的要求。大多數(shù)灰度或彩色圖像水印算法都明確或者隱含使用HVS[2]來保證其不可感知性。在基于DCT的圖像水印算法中,水印信號被嵌入到變換域的DCT系數(shù)中,因此,如何合理地選取DCT系數(shù)作為水印的嵌入?yún)^(qū)域是一個關(guān)鍵問題。

        在中頻區(qū)域?qū)?yīng)的DCT變換系數(shù)中嵌入水印信息,既能保證水印信息的魯棒性,又能保證其不可見性[3]。在中頻系數(shù)上嵌入水印已成為大多數(shù)信息隱藏學(xué)者的共識,黃繼武等人[4]提出了DCT域的DC直流系數(shù)中也可以嵌入水印信息的觀點(diǎn),并用實(shí)驗(yàn)給出了有力的證明,DCT的DC和AC低頻區(qū)域?yàn)榉且曈X敏感區(qū)域,也可被選做水印嵌入位置。本文的水印算法將在視覺不太敏感的低中頻嵌入水印信息,以獲得較大水印容量及較好的不可見性[5]。

        2.2 水印圖像的預(yù)處理

        算法采用圖像隨機(jī)置亂的方法作水印預(yù)處理。首先,我們對水印圖像進(jìn)行二維小波變換(DWT),保留其近似子帶,丟棄細(xì)節(jié)子帶。因?yàn)榻谱訋ПA袅藞D像的主要信息,所以不影響水印嵌入和提取時的信號強(qiáng)度。這樣實(shí)際上是對水印圖像進(jìn)行了壓縮處理,從而使得在載體圖像中能夠嵌入更多的水印信號;然后進(jìn)行隨機(jī)置亂處理;最后利用密鑰控制生成偽隨機(jī)序列,對置亂后的水印做調(diào)制變換。這里,偽隨機(jī)序列由密鑰控制產(chǎn)生,因此提高了水印的安全性。

        2.3 水印嵌入

        設(shè)CI是M×N大小的載體圖像,SI是要隱藏的P×Q大小的秘密圖像,P=M/2,Q=N/2。通過水印加載算法,要把圖像SI隱藏到CI中?;贒CT變換的圖像水印算分如下幾個步驟進(jìn)行。

        (1) 壓縮:為了將圖像SI隱藏到載體圖像CI中,首先利用二維小波變換對SI進(jìn)行變換,并且只保留SILL,這樣可以達(dá)到壓縮圖像壓縮的效果,即:

        [SILL,SIHL,SILH,SIHH]=DWT(SI)(1)

        (2) 隨機(jī)變換:由口令K控制生成兩個分別從1~ P/2,1~Q/2的隨機(jī)置換RProw和RPcol,并按照式(2)對SILL進(jìn)行變換:

        SI′LL=SILL(RProw(i),RPcol(j)) (2)

        (3) 分塊:將CI分解為(M/8)×(N/8)個8×8大小的分塊BCIm,n;同時將SI′LL也分解為(M/8)×(N/8)個2×2的分塊BSI′LLm,n。其中,1≤m,n≤8。

        (4) DCT變換:對每一個BCIm,n進(jìn)行DCT變換:

        DBCI′m,n=DCT(BCIm,n)(3)

        (5) 數(shù)據(jù)隱藏:對每一個DBCI′m,n和BSI′LLm,n,將DBCI′m,n(si)用BSI′LLm,(ti)代替,即:

        DBCI″m,n (si) = α×BSI′LLm,n(ti)(4)

        (6) 逆DCT變換:對式得到的每一個DBCI″m,n(si)做逆DCT變換:

        IDBCIm,n =IDCT(DBCI″m,n)(5)

        最后,將各個分塊合為一個整體圖像CI′,即為隱藏有水印圖像的新圖像。

        式中的系數(shù)α控制水印嵌入的強(qiáng)度,他對隱藏后的載體圖像質(zhì)量以及由其恢復(fù)的水印圖像質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。α越大,恢復(fù)的水印圖像的質(zhì)量越好,而隱藏水印的載體圖像CI'的質(zhì)量越差;α越小,則情況相反。結(jié)合感知模型及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)分析令α的取值范圍為0.01~0.1,在這個范圍內(nèi),算法可以獲得較好水印魯棒性和不可見性。

        2.4 水印提取

        設(shè)圖像TCI為已經(jīng)隱藏了秘密圖像的載體圖像?,F(xiàn)要根據(jù)使用者口令,將所隱藏的秘密圖像從TCI中提取出來。水印提取是水印嵌入的逆過程,算法按如下步驟進(jìn)行:

        (1) DCT變換:將TCI分解為(M/8)×(N/8)個8×8大小的塊BTCIm,n,并對每一個BTCIm,n進(jìn)行二DCT變換:

        DBCI′m,n=DCT(BTCIm,n)(6)

        (2) 提取水印數(shù)據(jù):按照下式對每一個DBCI′m,n,計算得到BWSILLm,n:BWSILLm,n (si ) = (1/α)×BTCI′m,n(ti)(7)

        (3) 逆隨機(jī)變換:將上面得到的所有BWSILLm,n合并為一個整圖NWSILL。根據(jù)給定的口令K控制生成兩個分別從1-M/4和從1-N/4的隨機(jī)置換RProw,RPcol,并按照下面公式對SILL進(jìn)行變換:

        WSILL(RProw(i),RPcol(j))=WSILL(i,j)(8)

        (4) 逆DWT變換:對NWSILL進(jìn)行二維逆小波變換:

        NSI=IDWT(NWSILL,0HL,0LH,0HH)(9)

        3 仿真實(shí)驗(yàn)

        對提出的算法在Matlab環(huán)境下進(jìn)行了編程實(shí)現(xiàn),并做了大量仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其性能?;菊f明如下:

        (1) 選取256×256的位圖圖像lena.bmp作為載體圖像,如圖1所示。

        (2) 選取128×128的位圖圖像center.bmp作為水印圖像,如圖2所示。

        圖1 載體圖像

        圖2 水印圖像

        (3)用峰值信噪比評價隱藏水印的圖像以及提取的水印圖像的質(zhì)量。

        分別取α值為0.01,0.05得到嵌入水印后的圖像,如圖3,圖4所示。

        圖3 嵌入水印后的圖像(α=0.01,PSNR=40.7)

        圖4 嵌入水印后的圖像(α=0.05,PSNR=38.9)

        兩種情況下提取的水印圖像如圖5,圖6所示。

        圖5 提取的水印圖像(α=0.01,PSNR=20.9)

        圖6 提取的水印圖像(α=0.05,PSNR=18.7)

        以上實(shí)驗(yàn)表明,嵌入水印的圖像具有較好的質(zhì)量,水印具有較好的不可見性能;在沒有攻擊的情況下,能完好地提取出水印圖像[6]。

        3.1 JPEG壓縮

        JPEG有損壓縮是水印所要抵抗的最主要的攻擊。由于圖像本身的的數(shù)據(jù)量大,如果以非壓縮的形式放置于網(wǎng)絡(luò)上,則會存在占用存儲空間增大、傳輸速率降低,同時下載很慢的缺點(diǎn),嚴(yán)重的影響了圖像在網(wǎng)絡(luò)上的利用效率。為了解訣這一矛盾就必須將水印后圖像進(jìn)行壓縮,JPEG 有損壓縮是當(dāng)今很常用且有效的壓縮方法,目前網(wǎng)絡(luò)上流通的圖像決大多數(shù)都是 JPEG 格式,因此水印對于 JPEG有損壓縮是否具有較強(qiáng)的免疫力是衡量一種水印算法是否成功的重要標(biāo)準(zhǔn)。我們把壓縮因子分別設(shè)定為30,15觀察水印檢測效果。壓縮圖如圖7,圖8所示,壓縮后提取水印如圖9,圖10所示。

        圖7 壓縮圖(壓縮因子30,PSNR=31.3)

        圖8 壓縮圖(壓縮因子15,PSNR=20.5)

        圖9 提取水印(PSNR=15.6)

        圖10 提取水印(PSNR=11.8)

        隨著壓縮率的增大,水印相似度降低,但水印仍然能夠明顯的檢測出來??紤]到在壓縮因子為15,圖像失真較嚴(yán)重的情況下,還能完整檢測出水印,說明算法具有比較好的抗壓縮性能。

        3.2 濾波攻擊

        因?yàn)閳D像在傳輸過程中往往有噪聲干擾,發(fā)生失真,所以人們常常對圖像加以濾波,以去除噪聲。經(jīng)低通濾波攻擊后如圖11所示,提取的水印如圖12所示??梢钥闯?,濾波對圖像的視覺影響不大,本算法能夠很好地檢測出水印。

        圖11 低通濾波(PSNR = 24.6)

        圖12 提取水印圖像(PSNR = 14.6)

        3.3 噪聲攻擊

        圖像在傳輸過程中,常常由于受到某種干擾而含有噪聲,常見噪聲有高斯噪聲,椒鹽噪聲。對水印圖像分別添加這兩種噪聲干擾,檢測其魯棒性。加兩種噪聲后的圖像分別如圖13,圖14所示。相應(yīng)提取的水印如圖15、圖16所示。

        圖13 高斯噪聲(PSNR=25.8)

        圖14 椒鹽噪聲(PSNR = 24.7)

        圖15 恢復(fù)水印(PSNR=15.8)

        圖16 恢復(fù)水印(PSNR = 16.4)

        從以上數(shù)據(jù)可以得出在常見的噪聲攻擊下,本算法的具有較好的魯棒性能。

        4 結(jié) 語

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出,因?yàn)閷λD像進(jìn)行了二維小波變換預(yù)處理,使得水印圖像被壓縮,同時在確定DCT系數(shù)時,取DCT變換的合適中頻部分加入水印,從而大大提高了嵌入水印的容量并且保證了不可見性。同時通過水印嵌入強(qiáng)度控制參數(shù)α協(xié)調(diào)水印魯棒性和不可見性能。從魯棒性實(shí)驗(yàn)中剪切、JPEG 壓縮、噪音攻擊的結(jié)果來看,本算法具有較強(qiáng)的抗攻擊能力。

        參考文獻(xiàn)

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        作者簡介 彭 川 男,1979年出生,博士生。研究方向?yàn)樾畔踩?/p>

        蔣天發(fā) 男,1954年出生,教授,研究生導(dǎo)師。

        注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。

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